CN107872228A - 用于控制数模转换器的方法和rf发送电路装置 - Google Patents

用于控制数模转换器的方法和rf发送电路装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制数模转换器(DAC)的方法和RF发送电路装置，该方法包括：提供多通道转换器阵列的多个数模转换器(DAC)，其中每个DAC包括单独的时钟发生器；由每个时钟发生器来产生RF载波信号；由每个DAC基于对应的时钟发生器的载波信号来将数字数据信号转换成模拟RF数据信号；为每个时钟发生器提供单独的控制信号，其中控制信号包括控制信息，使得当将控制信号施加到对应的时钟发生器时，在每个DAC的相应的输出端子处提供的不同的模拟RF数据信号包括相对彼此的预定的相位偏移；基于所提供的控制信号来直接和独立地控制每个DAC的时钟发生器。本发明进一步涉及转换器装置、RF发送电路装置。

Description

用于控制数模转换器的方法和RF发送电路装置
技术领域
本发明涉及一种用于控制数模转换器的方法。本发明进一步涉及一种RF发送电路装置。
背景技术
无线通信系统被广泛采用以提供各种类型的通信内容，诸如语音、视频、数据以及类似物。无线通信系统的收发机设备典型地包括高速模拟或数字前端(AFE、DFE)设备。这些AFE/DFE设备典型地包括用于执行复杂处理并且受到合理的功率和大小约束的数字处理器。为了传送信息到另一无线设备，通常先将数据信号转换成模拟信号，接着可以由适当的天线来发射模拟信号。转换过程由数模转换器来执行。
在电子学中，数模转换器(DAC、D/A、D-A)是将数字信号转换成模拟信号的设备。模数转换器(ADC)执行相反的功能。对于不同的应用，存在特定的DAC架构。例如，高速DAC用于以高数据速率发送。这些DAC类型允许将无线系统的传统的模拟功能中的某些功能移到数字域中，诸如频率上变换。一种用于提高DAC系统的采样率的技术是使用多个并行的DAC。并行DAC架构典型地包括其输出在模拟域中进行组合的多个DAC。
对于高速DFE应用，单个DAC元件使用外部产生的时钟信号。该时钟信号在DAC内被使用以产生载波信号，接着使用发送数据来调制该载波信号。然而，使用这一方法的一个问题是，与DAC元件的相位偏移相关的多DAC阵列的DAC元件的不同的输出信号的可能的未对准。由于此，触发DAC元件的时钟发生器需要定期重置并且有时需要针对每个数据采样而重置，从而确保预定的相位偏移。然而，对于高速应用，特别是对于无线RF数据通信，该重置显著降低了数据吞吐量。
预定的相位偏移对于波束成形而言是特别必要的。波束成形用于发送RF信号，使得产生预定的波束形状。所谓的智能多天线与波束成形技术一起使用。智能天线为天线元件阵列，其中这些天线元件中的每个天线元件接收来自DAC的模拟信号。该模拟信号将使用预先确定的相位偏移和相对增益来发送。阵列的净效应是引导发送波束在预定的方向中。波束通过控制激励阵列的天线元件的信号的相位和增益关系来控制。然而，在不同的发送信号不在预定的时间点从不同的天线元件发射的情况中，几乎不可能获得预定的波束形状。
US 8,286,067 B2描述了一种用于在数字信号处理器与RF模拟前端设备之间发送所采样的数据和控制信息的方法。模拟前端设备包括两个在发送路径中的DAC。用于触发这些DAC的时钟信号由外部产生。对于给定时钟速率，通过插入空帧以将数据速率匹配到时钟速率，模拟前端设备的串口发送器提供可变数据速率。空帧可以由控制域中的特定代码来识别。因而，US 8,286,067 B2公开了一种用于控制调制解调器中的多个DAC的方法，其中用于控制DAC的控制数据包括在发送数据中。
发明内容
针对这一背景技术，本发明要解决的问题在于提供DAC阵列的DAC元件的输出信号之间的稳定的相位差。
根据本发明，这一问题通过具有权利要求1的特征的方法来解决和/或通过具有权利要求8的特征的RF发送电路装置来解决。
据此，提供以下内容：
-一种用于控制数模转换器(DAC)的方法，该方法包括：提供多通道转换器阵列的多个数模转换器(DAC)，其中每个DAC包括单独的时钟发生器；由每个时钟发生器来产生RF载波信号；由每个DAC基于对应的时钟发生器的载波信号来将数字数据信号转换成模拟RF数据信号；为每个时钟发生器提供单独的控制信号，其中控制信号包括控制信息，使得将控制信号施加到对应的时钟发生器时在每个DAC的相应的输出端子处提供的不同的模拟RF数据信号包括相对彼此的预定的相位偏移；基于所提供的控制信号来直接和独立地(即，单独地)控制每个DAC的时钟发生器。
-一种RF发送电路装置，包括：数字接口电路；多通道转换器阵列，在其数字输入侧耦合到数字接口电路并且具有多个数模转换器(DAC)，其中每个DAC包括单独的时钟发生器，并且其中每个DAC用于将数字接口电路所提供的数字数据信号转换成模拟RF数据信号；其中数字接口电路进一步包括：控制电路，该控制电路用于提供直接和独立地(即，单独地)控制每个DAC的时钟发生器的控制信号，并且其中每个控制信号包括控制信息，使得在每个DAC的相应的输出端子处所提供的不同的模拟RF数据信号包括相对彼此的预定的相位偏移。
本发明基于发现对于特定的应用，特别是对于时分复用应用、对于波束成形或类似应用而言在DAC阵列的输出处提供的模拟RF输出信号必须需要相对彼此的稳定的相位偏移。
为此，本发明的第一个想法在于偏移每个单独的DAC元件里的时钟产生功能性，使得每个DAC元件基于内部产生的时钟信号来产生载波信号。根据本发明的第二个想法，DAC元件中的每个时钟发生器由单独的控制信号来独立触发。该控制信号包括用于对应的时钟发生器的相位偏移信息并且由数字接口电路产生。结果，DAC阵列中的不同的DAC元件均由单独的控制信号来触发，使得在每个DAC元件的相应的输出端子所提供的对应的模拟RF输出信号包括相对彼此的预定的相位偏移。
采用本发明，能够同步不同的数字通道，使得他们以相对彼此精确的预定的相位偏移采样来操作。
附加地，通过针对每个DAC元件仅仅使用一个控制信号，能够提供非常智能且易化的方法来同步DAC元件产生的RF输出信号。这样，能够提供RF输出信号的预定的相位形成，结果是如波束成形的特定应用也能够用于高速应用。
进一步，通过针对每个时钟发生器单独采用单独的控制信息，避免了重置时钟发生器。通过不去定期重置时钟发生器，本发明适于高性能和高速应用。
有益的配置和发展从进一步的从属权利要求中以及从结合所附附图的描述中涌现。
在一个优选的实施例中，由多通道转换器阵列产生并且在DAC的相应的输出端子处提供的模拟RF数据信号都被转发到天线阵列的天线元件。接着，基于模拟RF数据信号，该天线阵列在空中发送RF信号。
在特定的优选实施例中，通过设置预定形状的波束，该方法用于波束成形。波束中的这一预定的形状可以经由控制信号的控制信息来设置。波束成形能够应用于无线或声波。波束成形具有在雷达、声呐、无线通信、声学以及生物医疗中的各种应用。对于波束成形应用，典型地，使用相位天线阵列。相位天线阵列是其中设置馈送给天线的相应信号的相对相位使得阵列的有效辐射图案在期望的方向被加强并且在不期望的方向被抑制的天线阵列。对于那些相位天线阵列，非常必要的是，天线中的相位关系可以是固定的。然而，在这一情况下，必要的是提供馈送给天线元件的不同的模拟信号之间的预定的相位偏移。本发明提供了使能非常智能的波束成形技术的这样的预定相位偏移。
在特定的优选实施例中，数字接口电路为JESD204接口，特别地，为JESD204B接口。结果，馈送到RF转换器阵列的DAC中的数字数据信号和提供给DAC及其NCO的控制信号分别基于JESD204或具体地基于JESD204B传输协议标准来产生。由于近来ADC和DAC的分辨率和速率增加，对更有效的接口的需求已经增长。JESD204接口带来了效率并且在速度、大小、以及成本上提供了超过CMOS和LVDS接口的若干优点。JESD是指能够支持高性能、高速率以及多通道应用所需的高带宽的数据接口。除此之外，使用JESD204，存在着输入-输出端子显著减少，这导致更小的封装尺寸并且降低了所需的数字输入-输出(IO)的数量。因此，JESD204接口标准为易化了电路板布局和电路。例如先前需要使用大量FPGA的复杂的接口设计的RF通信所使用的非常高速的ADC和DAC现在实现在仅仅少数IO端子中。JESD204接口的总带宽还能够再次基于应用的要求而分成多个通道，而不要求附加的IO。
在特定的优选实施例中，该方法进一步包括将开始相位、增量以及切换时间点的信息编码到控制信号中的步骤。接着，DAC分析该信息。基于所分析的信息，切换DAC的时钟发生器。该切换可以采样精确地进行。这意味着，DAC的每个时钟发生器关于提供给对应的DAC的数字数据信号的数据样本而采样精确地控制。
在特定的优选实施例中，将数据信号的每个采样的至少一个控制信息提供给每个时钟发生器。
在特定的优选实施例中，每个DAC关于载波信号的频率和相位单独地进行同步。附加地或可替代地，关于模拟RF数据信号，单独且独立地同步每个DAC。特别地，每个DAC的时钟发生器的控制和/或同步直接地、单独地并且独立地执行，而不重置时钟发生器。
在另一实施例中，数字串口电路是串行高速多通道时分复用(TDM)接口。
在优选实施例中，至少一个时钟发生器为数控振荡器(NCO)。数控振荡器是数字信号发生器，该数字信号发生器创建信号的具体波形的同步的(即，定时的)、离散时间的、离散值的表示。通常，该特定的信号波形为正弦的。数控振荡器在灵敏度、精确性、稳定性以及可靠性方面提供了相比其他类型的振荡器的若干优点。NCO非常频繁地用在通信系统中，特别是无线通信中，包括数字上/下变换器、数字PLL、雷达系统、用于光或声学传输的驱动器、多级FSK/PSK调制器、解调器以及类似物。可替代地，时钟发生器还可以为数字控制的振荡器(DCO)。DCO是非常频繁地用于频率合成中的混合数字/模拟电子振荡器。DCO是一种压控振荡器(VCO)并且设计用于克服较早的VCO设计的调节稳定性限制。
在优选实施例中，RF发送电路装置进一步包括：天线阵列，其具有多个天线元件。这些天线元件中的每个天线元件在数据线上的其输入端口上连接到对应的DAC的输出端子。由DAC产生的模拟RF数据信号在这些数据线上提供给对应的天线元件。
在特定的优选实施例中，RF发送电路装置用于发送雷达信号。附加地或可替代地，RF发送电路装置用于发送高速无线通信信号，诸如，特别地，根据LTE或5G标准。
在一个实施例中，数字串口电路针对RF数据传输经由多个数据线连接到每个DAC。进一步，数字串口电路经由第一控制线连接到每个DAC以用于将DAC彼此同步，并且经由第二控制线连接到NCO以设置预定的相位偏移。附加地，RF发送电路装置包括耦合到数字串口电路的数字输入侧以及在转换器装置的输出处的模拟输出侧。
在适当之处，上述配置和研发能够以任意合适的方式组合。本发明的进一步的可能的配置、研发以及实现还包括之前已经描述或者在以下结合实施例来描述的本发明的特征的未明确提及的组合。特别地，在这一情况下，本领域技术人员还将添加单独的方面，作为对本发明的基本形式的改进或补充。
附图说明
以下基于在附图的示意图中示出的实施例来更详细地描述本发明，其中：
图1图示了包括根据本发明的用于在数字部分与模拟部分之间接口的多DAC装置的通信设备的局部视图；
图2为图1的多DAC装置的详细框图；
图3为用于图示由图2的RF发送电路装置的不同的DAC产生的两个发送信号之间的相位偏移的信号-时间图解。
所附附图意在提供对本发明的实施例的进一步的理解。他们图示了实施例，并且，结合说明书来帮助解释本发明的原理和构思。其他实施例以及所提及的优点中的众多优点将从附图中显而易见。附图中的要素不一定按比例示出。
在附图中，除非另有记载，在每个情况中向类似的功能上等价并且同样操作的要素、特征以及组件提供相同的附图标记。
具体实施方式
作为非限制性示例，图1图示了通信设备10的局部视图，其中通信设备10包括数字部分11、模拟部分12以及用于在数字部分11与模拟部分12之间接口的多DAC(数模转换器)装置13。数字部分11和模拟部分12能够包括典型地包括在常规的通信设备10中的任意组件。例如，数字部分11能够包括数据处理器14，诸如DSP(数字信号处理器)、ASIC(专用集成电路)和/或FPGA(场可编程门阵列)。通信设备10的数字部分11典型地包括数字无线电电路15，诸如数字频率上变频器。这一数字无线电电路15还可以实现为DSP的一部分。
模拟部分12能够包括滤波器16、功放17以及输出设备18。模拟部分12还可以包括其他组件，诸如，如果例如频率上变频不由数字部分11来执行，则还可以包括上变频电路。输出设备18包括：天线阵列19，其具有用于在空中(OTA)从通信设备10发送模拟信号到接收设备的多个天线元件，该接收设备例如在基站、用户设备或类似物中。可替代地，输出电路18可以包括输出端子阵列。
多DAC装置13用于将来自数字部分11的数字信号转换成去往模拟部分12的对应的模拟信号。为此，多DAC装置13包括具有多个单个的DAC 21的DAC阵列20，此后将其称为DAC元件21。多个DAC 21彼此并行放置以将来自数字部分11的数字信号转换成提供给模拟部分12的模拟信号。典型地，每个DAC路径具有不同的模拟相位响应。这能够通过使用用于控制DAC 21的操作的多相位时钟来实现。特别地，DAC 21的输入和输出能够相对于彼此而延迟(即，相位偏移)，从而确保每个DAC路径具有不同的模拟相位响应。
多DAC装置13进一步包括：数字串口电路22，用于提供串行数据流X1给多个DAC21。数字串口电路22进一步提供控制信息X2、X3给每个DAC 22。这一控制信息X2、X3一方面包括用于同步不同的并行放置的DAC元件21的同步信息X2。另一方面，控制信息X2、X3包括用于为在不同的DAC元件21的输出侧所提供的模拟输出数据信号而设置预定的相位偏移的相位偏移信息X3。此后将关于图2更详细地描述数字串口电路22和DAC元件21的结构和功能。
数字串口电路22可以实现为数字处理器14的一部分，数字处理器14包括在通信设备10的数字部分11中。然而，数字串口电路22还可以与数据处理器14分离地实现。
通信设备10的整体或其一部分代表本发明的术语中的RF发送电路装置。
图2示出了图1的多DAC装置的详细框图。这里，数字串口电路22为JESD204接口22并后特别地，为JESD204B接口22。因而，数字串口电路22产生的信号流(数据和控制信号)基于JESD204传输协议标准。
转换器阵列20包括M个DAC元件21-1到21-M的阵列。在这一情况下，转换器阵列20包括M＝2个DAC元件21-1、21-2。
数字串口电路22用于提供N比特数据流X1-1、X1-2给DAC元件21-1、21-2中的每一个。
每个DAC元件21-1、21-2是用于将N位数字信号X1-1、X1-2转换成对应的模拟输出信号X4-1、X4-2的N位DAC 21-1、21-2。为此，每个DAC元件21-1、21-2包括在其输入接口处的解串器23-1、23-2。该解串器23-1、23-2用于转换提供给DAC元件21-1、21-2的相应的内部输入端子的N个不同的输入信号中的N位串行数据流X1-1、X1-2。
数字串口电路22用于提供同步信号X2-1、X2-2给每个DAC元件21-1、21-2。该同步信号X2-1、X2-2用于同步转换器阵列20中的不同的DAC元件21-1、21-2。
根据本发明的一个方面，转换器阵列20中的DAC元件21-1、21-2中的每一个元件包括单独的内部的数控振荡器(NCO)24-1、24-2。该NCO用于产生载波信号。在对应的DAC 21-1、21-2中，接着将该载波信号用作在载波信号上被调制的数据的载体。
根据本发明的另一方面，数字串口电路22提供控制信号X3-1、X3-2给NCO24-1、24-2。该控制信号X3-1、X3-2包括控制和相位偏移信息。如果将这些控制和相位偏移信息提供给不同的DAC元件21-1、21-2的对应的NCO 24-1、24-2，则由DAC元件21-1、21-2产生的模拟输出信号X4-1、X4-2包括相对彼此的预定的相位偏移。在图3中图示了这一关系。
接着将所产生的模拟输出信号X4-1、X4-2转发到输出设备18的天线。采用波束成形技术，在天线阵列19中使用所谓的智能天线。智能天线是天线元件的阵列。其中这些天线元件中的每个天线元件接收将使用预先确定的相位偏移和相对增益进行发送的模拟信号X4-1、X4-2。天线阵列19的净效果为在预定的方向中引导发送波束。波束通过控制激励天线阵列19的天线元件的信号的相位和增益关系来进行引导和成形。
图3示出了用于图示由图2的RF发送电路装置的两个不同的DAC产生的发送信号之间的相位偏移的信号-时间图解。
两个模拟RF数据信号X4-1、X4-2由图2的两个DAC元件21-1、21-2产生。这两个模拟RF数据信号X4-1、X4-2具有相对彼此的预定的相位偏移X5。该预定的相位偏移经由包括在提供给对应的DAC元件21-1、21-2的控制信号X3-1、X3-2内的相位偏移信息来设置和控制。这样，根据本发明，能够将具有预定的相位偏移的数字数据从DAC阵列20的数字侧传送到模拟侧。特别地，对于每个NCO 24-1、24-2，每个样本仅仅需要一个控制信息。
尽管以上已经通过优选实施例的方式描述了本发明，但是，其不限于此，而是能够以广泛的方式来修改。特别地，在不偏离本发明的核心的情况下，能够以各种方式来改变或修改本发明。
附图标记列表
10 通信系统、RF发送电路装置
11 数字部分
12 模拟部分
13 多DAC系统/装置
14 数据处理器，DSP
15 数字无线电电路
16 滤波器
17 功放
18 输出设备、输出电路
19 天线阵列
20 DAC阵列
21、21-1、21-2 数模转换器、DAC、DAC元件
22 数字串口电路
23-1、23-2 解串器
24-1、24-2 时钟发生器、数控振荡器、NCO
X1、X1-1、X1-2 数据流、串行数据信号
X2、X2-1、X2-2 同步信号
X3、X3-1、X3-2 控制信号
X4、X4-1、X3-2 模拟RF数据信号
X5 相位偏移

Claims (14)

1.一种用于控制数模转换器(DAC)的方法，所述方法包括：
提供多通道转换器阵列的多个数模转换器(DAC)，其中每个DAC包括单独的时钟发生器；
由每个时钟发生器来产生RF载波信号；
由每个DAC基于对应的时钟发生器的载波信号来将数字数据信号转换成模拟RF数据信号；
为每个时钟发生器提供单独的控制信号，其中所述控制信号包括控制信息，使得当将所述控制信号施加到对应的时钟发生器时，在每个DAC的相应的输出端子处提供的不同的模拟RF数据信号包括相对彼此的预定的相位偏移；
基于所提供的控制信号来直接和独立地控制每个DAC的时钟发生器。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中所产生的模拟RF数据信号被各自提供给天线阵列的天线元件。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其中所述方法用于波束成形。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其中所述数据信号和/或所述控制信号基于JESD204传输协议标准，特别地，基于JESD204B传输协议标准。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，进一步包括：
-将开始相位、增量以及切换的时间点的信息编码到所述控制信号中；
-通过对应的DAC来分析该信息；
-基于所分析的信息来采样精确地切换对应的DAC的时钟发生器。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其中将每个采样的至少一个控制信息提供给每个时钟发生器。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其中每个DAC单独地关于所述载波信号和/或所述模拟RF数据信号的频率和相位而进行同步。
8.一种RF发送电路装置，包括：
数字串口电路；
多通道转换器阵列，在其数字输入侧耦合到数字接口电路并且具有多个数模转换器(DAC)，其中每个DAC包括单独的时钟发生器，并且其中每个DAC用于将所述数字串口电路所提供的数字数据信号转换成模拟RF数据信号；
其中所述数字串口电路进一步包括：用于提供控制信号的控制电路，所述控制信号用于直接和独立地控制每个DAC的时钟发生器，并且其中每个控制信号包括控制信息，使得在每个DAC的相应的输出端子处提供的不同的模拟RF数据信号包括相对彼此的预定的相位偏移。
9.根据权利要求8所述的装置，
其中所述数字串口电路为JESD204接口，特别地，为JESD204B接口。
10.根据权利要求8或9所述的装置，
其中至少一个时钟发生器为数控振荡器(NCO)和/或数字控制的振荡器(DCO)。
11.根据权利要求8至10任一项所述的装置，
其中所述RF发送电路装置用于无线发送的RF数据信号的波束成形。
12.根据权利要求8至11任一项所述的装置，
进一步包括天线阵列，所述天线阵列具有多个天线元件，其中每个天线元件在其输入端子处连接到DAC的对应的输出端子以提供模拟RF数据信号给对应的天线元件。
13.根据权利要求8至12任一项所述的装置，
其中所述RF发送电路装置用于发送雷达信号和/或高速无线通信信号，特别地，根据LTE或5G标准。
14.根据权利要求8至13任一项所述的装置，
其中所述数字串口电路经由用于RF数据传输的多个数据线、经由用于将DAC彼此同步的第一控制线、并且经由用于设置预定的相位偏移的第二控制线来连接到DAC中的每个DAC。
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